无线多功能家庭安全系统
摘要：本报告就“数字家庭”这一研究热点中的“家庭安全”方面设计了一套无
线多功能家庭安全系统。该系统分为报警信号采集和控制部分和人机交互部分，前一部分实现了对家庭中各种安全隐患，例如：煤气泄漏，非法入侵等进行监控报警，并通过无线数传模块将报警信号传给人机交互部分，由其进行报警处理，针对不同的报警源分类进行语音报警，并通过GSM 网络发送短消息进行远程报警。本系统信号传递利用无线方式，省去了布线的麻烦，操作简单，适合老人和孩子使用，具有一定的使用价值。
一、引言
以前，传统的家庭安全防范的概念，就是装上坚固而又笨重的防盗门、栏、锁，把自己关在一个“笼”内，以这个“笼”的坚固来抵御外来入侵者。道高一尺、魔高一丈。随着犯罪分子作案手段的多样化、智能化和狡诈性、先进性，传统的实体防护手段已难以适应现代家庭安全防范的需要。而且，一旦发生诸如煤气泄漏、火灾等意外事故，“牢”门“兽”窗反而成了居民逃生的屏障。因而现代家庭迫切需要高科技的家庭安全防范系统，来“保护”我们生命和财产的安全。
近年，国内许多城市都在大力兴建“智能小区”，将家庭安全系统落实到户。但其安全防范系统存在许多不足和缺陷，如系统繁杂，操作不便等。有些报警系统甚至还存在错报或漏报现象，从而给家庭安全带来隐患。同时，由于系统繁杂，家中老人和儿童不易掌握，因而给生活带来许多不便。因此，我们计划设计并制作基于微控制器的，集家电监控、煤气泄漏报警、GSM 远程报警等多功能于一体的无线多功能家庭安全系统。
二、功能简介
本系统主要实现对家电的实时监控，煤气泄露报警，防盗自动报警和人工呼叫的高度统一。并利用GSM 网络，在需要时，以短消息的形式向外界发出警告或求助信息，以尽快得到帮助。整个系统大致分为两部分：一个是对各类报警源信号采集和控制部分，另一个是对接收到报警信号进行处理的人机交互部分，其间通过无线射频信号联系，所以基本不需要复杂的布线。
主要实现功能： 1. 自定义工作模式
本系统为用户提供了自定义安全工作模式：当主人在家，可以设置关闭防盗报警（因为防盗报警是针对运动物体的红外监测），以免发生误报；当主人外出办事时，可设置“无人在家”模式，开启各类报警以及GSM 远程提示。系统用指示灯表示相应的报警源，主人可通过人机界面来选择系统的当前工作模式。 2. 自动报警
当启动各类报警功能后，传感器检测模块便处于工作状态，一旦检测到相应的干扰信号，例如：煤气泄漏并超过一定浓度、主人在外而红外监测模块检测到屋内有人活动，信号采集部分接收到这些报警信号后，便会触发发射模块发出高频调制的编码信号，由位于人机交互部分上的无线模块接收，并经滤波、整形传送给微处理器。一方面发出报警声，阻吓闯入者；另一方面按照设定好的模式，采取相应的措施。
3. 远程提示
该项功能是可以选择的。若启用后，有非法进入者时，便通过通讯装置，利用GSM 移动通讯网络将指定的紧急通知短信逐一发送至设定好的联系手机，可以是户主、邻居或是朋友，通知他们有人闯入居室，以便尽早采取相应的措施。当然如果小区物业有开通该项服务，就可直接联系警卫。
其中的通讯装置，可以选用专用的GSM 模块，也可以借用普通手机的GSM 部分，并通过专用的数据线与MCU 连接；具体实现方式可利用AT 指令集，由软件编程完成。 4. 密码功能
整个家庭安全系统的开启需要输入密码，另外在拿钥匙开门前也需要输入进门密码。如果输入三次密码都错误，则系统还是会报警，防止钥匙的意外丢失。当然密码是可多次重新设定的，但在确定新号码之前必须输入原来的号码，增加可靠性。而且在设定联系的手机号码时，也需先输入旧的密码，拒绝任意的篡改。 5. 求救功能
主要用于当室内由于暴力入侵主人受到威胁时，或主人因身体严重不适需求助时，可按动报警求救按钮，系统在发出警告声的同时，一并通知自己的亲朋好友。求助信息也以短消息的形式发出，具体内容和接收对象都需事先设定好。求救功能通过一键触发，大大降低操作的复杂性，便于老人和孩子使用。 6. 掉电保护
最基本的解决方案是装好备用电池，当发生断点异常时能及时切换到备用电池供电方式，并同时又使指示灯亮起提示主人更换新电池。
在编制程序时，设定当系统在正常运作状态将需要保存的参数存放在flash ，发生掉电情况时不致遗失相关数据。当再次启动时初始化值可从从flash 直接得到。 7. 简易语音门铃功能
门铃功能主要分三种模式：当主人在家，不希望受到他人打扰时，可选择“请勿打扰” 模式，此时按门铃不起作用；主人如外出即归时，可选择“请稍候”模式，以语音提示；主人外出办事时，可选择“出门在外”模式，按门铃后以语音告知主人不在家，免得来访者久等。这些工作模式设置都可在人机交互部分中进行设置。 8． 数据记录和查询
如有需要本系统还可以通过串口和本地计算机相连，进行报警历史记录，并且可以进行记录的查询。
三、系统原理及框图
整个系统大致分为两部分：一个是对各类报警源信号采集和控制部分，另一个是对接收到报警信号进行处理的人机交互部分。
信号采集和控制部分是由数据采集、数据处理、数据发送和电源四个模块组成：
1. 数据采集包括各类传感器，针对煤气泄漏的电阻式半导体气体传感器，针对防盗的红外监测模块；
2. 数据处理模块采用的是低功耗的MSP430单片机； 3. 数据传输采用无线数传模块CC1100；
4. 电源采用TPS79333为处理器和无线数传模块提供稳定的电压。
人机交互部分是由处理器模块、无线数传模块、语音模块、GSM 模块、LCD 模块和键盘控制电路组成。
1. 处理器模块选用基于ARM7内核的STR710处理器；
2. 无线数传模块仍是CC1100，并通过串口和处理器相连；
3 . 语音模块采用ISD4004语音芯片构成语音报警和提示电路，处理器通过SPI 接口和语音电路连接；
4. GSM模块欲采用西门子公司TC35模块，并通过串口和处理器连接； 5. LCD模块采用点阵字符型液晶屏；
6. 键盘控制电路采用周立功公司ZLG2790芯片作为键盘电路的控制芯片，通过IIC 总线和处理器相连。
系统结构框图如下图所示：
图一 系统硬件结构图
四、芯片选型及其性能参数
信号采集和控制部分芯片参数： 1. 数据采集模块采用的传感器：
电阻式半导体气体传感器采用TP-4型空气污染物传感器，对低浓度空气污染物如氢气, 碳氢化合物, 酒精, 一氧化碳, 苯残余物等气体灵敏；
红外监测模块采用红外传感器ST188，其特点是采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，采用非接触式检测方式.ST188的检测距离很小，一般为4--15mm ； 2. 数据处理模块采用MSP430单片机系列的MSP430F133：
该芯片是16位，低功耗单片机，供电电压只需1.8V-3.6V ，16位精简指令体系，8KB+256B Flash Memory,256BRAM，两个串口控制器，一个SPI 接口；封装采用64脚（QFP ）； 3. 数据收发模块采用CC1100无线数传模块：
CC1100是一款多通道RF 收发器，采用4×4mm 20引脚QFP 封装，允许用户利用工作在2.4GHz 和1GHz 以下频率相同的系统固件，同时CC1100功耗很低，还包括广播叫醒功能；
4. 电源模块采用TPS79333稳压芯片：
该芯片输出电流为200mA ，输出电压为3.3V ，输出电容为2.2uFC ，响应时间快速。 人机交互部分芯片参数：
1. 数据处理模块采用STR710系列中的STR710FZ2芯片：
该芯片为16/32位ARM7 RISC CPU; 有256KB Flash和64KBSRAM; 拥有丰富的片内外设：
4个标准定时器，每个定时器有一个带有7位预分频比例因子的16位计数器，至多两个输入捕获、输出比较功能，一个脉冲计数功能及一个带可选频率的PWM 通道；
实时时钟RTC ，由低功耗的32kHz 的振荡器驱动，其可作为通用的基准时间使用，也可用于时钟、日历或报警；
4个UART 允许实现与外部设备的全双工异步通信，其接收Rx 和发送Tx 的数据传输率可单独编程设置，最高可达625kb/s；
2个SPI ，可与外部设备进行全双工同步通信。主/从通信在主模式和从模式下的通信速率分别可达5.5Mb/s和4Mb/s；
48个通用I/O口；
最多有14个外部中断可被用户使用； 2. 无线数传模块仍是采用CC1100模块：
具体参数见上；
3. 语音模块采用ISD4004语音芯片构成语音报警和提示电路：
ISD4004 语音系列芯片是美国ISD 公司推出的产品，具有多次重复录放，存储时间长，可达8-16分钟，使用时不需扩充存储器，所需外围电路简单等特点； 4. GSM 模块采用TC35模块：
该模块是西门子公司推出的新一代GSM 通信模块。它设计小巧、功耗很低，支持
EGSM900和GSM1800双频，模块的工作电压为3.3－5.5V ，数据速率在CSD 状态下最大速率14.4kbps ，模块尺寸大小是54.5 x 36 x 6.7mm，管脚为40pin ； 5. LCD 模块采用点阵字符型液晶屏JHD162A ：
该模块采用5V 供电，显示内容16 字符x 2 行，字符点阵5 x 8点驱动方式1/16D； 6. 键盘控制电路采用周立功公司的ZLG7290芯片：
该芯片利用IIC 总线和处理器连接，并提供键盘中断信号方便与处理器接口，可驱动8位共阴数码管或64只独立LED 和64个按键，可控扫描位数可控任一数码管闪烁，提供数据译码和循环移位段寻址等控制，有8个功能键可检测任一键的连击次数，无需外接元件即直接驱LED 可扩展驱动电流和驱动电压，提供工业级器件多种封装形式DIP24，SO24；
五、软件设计流程
软件完成各部分硬件的控制和协调。这里列出了主要的软件运行的流程，这只是初步的设计，在将来具体实现中可能还会发生变化。
图二 人机交互系统软件设计流程
图三 中断处理流程
图四 信号监控系统软件流程
参考资料
【1】沈建华等编著 STR71x系列ARM 微控制器原理与实践 北京航空航天大学出版社 2006.9 【2】STR71x Hardware Development Getting Started(硬件开发入门).pdf
【3】张晨等编著 ARM嵌入式无线通信系统开发实例精讲 电子工业出版社 2005.7 【4】秦龙编著 MSP430单片机C 语言应用程序设计实例精讲 电子工业出版社 2006.5 【5】周立功等编著 ARM嵌入式系统实验教程（一）北京航空航天大学出版社 2004.11 【6】杜春雷编著 ARM体系结构与编程 清华大学出版社 2003.2
无线多功能家庭安全系统
摘要：本报告就“数字家庭”这一研究热点中的“家庭安全”方面设计了一套无
线多功能家庭安全系统。该系统分为报警信号采集和控制部分和人机交互部分，前一部分实现了对家庭中各种安全隐患，例如：煤气泄漏，非法入侵等进行监控报警，并通过无线数传模块将报警信号传给人机交互部分，由其进行报警处理，针对不同的报警源分类进行语音报警，并通过GSM 网络发送短消息进行远程报警。本系统信号传递利用无线方式，省去了布线的麻烦，操作简单，适合老人和孩子使用，具有一定的使用价值。
一、引言
以前，传统的家庭安全防范的概念，就是装上坚固而又笨重的防盗门、栏、锁，把自己关在一个“笼”内，以这个“笼”的坚固来抵御外来入侵者。道高一尺、魔高一丈。随着犯罪分子作案手段的多样化、智能化和狡诈性、先进性，传统的实体防护手段已难以适应现代家庭安全防范的需要。而且，一旦发生诸如煤气泄漏、火灾等意外事故，“牢”门“兽”窗反而成了居民逃生的屏障。因而现代家庭迫切需要高科技的家庭安全防范系统，来“保护”我们生命和财产的安全。
近年，国内许多城市都在大力兴建“智能小区”，将家庭安全系统落实到户。但其安全防范系统存在许多不足和缺陷，如系统繁杂，操作不便等。有些报警系统甚至还存在错报或漏报现象，从而给家庭安全带来隐患。同时，由于系统繁杂，家中老人和儿童不易掌握，因而给生活带来许多不便。因此，我们计划设计并制作基于微控制器的，集家电监控、煤气泄漏报警、GSM 远程报警等多功能于一体的无线多功能家庭安全系统。
二、功能简介
本系统主要实现对家电的实时监控，煤气泄露报警，防盗自动报警和人工呼叫的高度统一。并利用GSM 网络，在需要时，以短消息的形式向外界发出警告或求助信息，以尽快得到帮助。整个系统大致分为两部分：一个是对各类报警源信号采集和控制部分，另一个是对接收到报警信号进行处理的人机交互部分，其间通过无线射频信号联系，所以基本不需要复杂的布线。
主要实现功能： 1. 自定义工作模式
本系统为用户提供了自定义安全工作模式：当主人在家，可以设置关闭防盗报警（因为防盗报警是针对运动物体的红外监测），以免发生误报；当主人外出办事时，可设置“无人在家”模式，开启各类报警以及GSM 远程提示。系统用指示灯表示相应的报警源，主人可通过人机界面来选择系统的当前工作模式。 2. 自动报警
当启动各类报警功能后，传感器检测模块便处于工作状态，一旦检测到相应的干扰信号，例如：煤气泄漏并超过一定浓度、主人在外而红外监测模块检测到屋内有人活动，信号采集部分接收到这些报警信号后，便会触发发射模块发出高频调制的编码信号，由位于人机交互部分上的无线模块接收，并经滤波、整形传送给微处理器。一方面发出报警声，阻吓闯入者；另一方面按照设定好的模式，采取相应的措施。
3. 远程提示
该项功能是可以选择的。若启用后，有非法进入者时，便通过通讯装置，利用GSM 移动通讯网络将指定的紧急通知短信逐一发送至设定好的联系手机，可以是户主、邻居或是朋友，通知他们有人闯入居室，以便尽早采取相应的措施。当然如果小区物业有开通该项服务，就可直接联系警卫。
其中的通讯装置，可以选用专用的GSM 模块，也可以借用普通手机的GSM 部分，并通过专用的数据线与MCU 连接；具体实现方式可利用AT 指令集，由软件编程完成。 4. 密码功能
整个家庭安全系统的开启需要输入密码，另外在拿钥匙开门前也需要输入进门密码。如果输入三次密码都错误，则系统还是会报警，防止钥匙的意外丢失。当然密码是可多次重新设定的，但在确定新号码之前必须输入原来的号码，增加可靠性。而且在设定联系的手机号码时，也需先输入旧的密码，拒绝任意的篡改。 5. 求救功能
主要用于当室内由于暴力入侵主人受到威胁时，或主人因身体严重不适需求助时，可按动报警求救按钮，系统在发出警告声的同时，一并通知自己的亲朋好友。求助信息也以短消息的形式发出，具体内容和接收对象都需事先设定好。求救功能通过一键触发，大大降低操作的复杂性，便于老人和孩子使用。 6. 掉电保护
最基本的解决方案是装好备用电池，当发生断点异常时能及时切换到备用电池供电方式，并同时又使指示灯亮起提示主人更换新电池。
在编制程序时，设定当系统在正常运作状态将需要保存的参数存放在flash ，发生掉电情况时不致遗失相关数据。当再次启动时初始化值可从从flash 直接得到。 7. 简易语音门铃功能
门铃功能主要分三种模式：当主人在家，不希望受到他人打扰时，可选择“请勿打扰” 模式，此时按门铃不起作用；主人如外出即归时，可选择“请稍候”模式，以语音提示；主人外出办事时，可选择“出门在外”模式，按门铃后以语音告知主人不在家，免得来访者久等。这些工作模式设置都可在人机交互部分中进行设置。 8． 数据记录和查询
如有需要本系统还可以通过串口和本地计算机相连，进行报警历史记录，并且可以进行记录的查询。
三、系统原理及框图
整个系统大致分为两部分：一个是对各类报警源信号采集和控制部分，另一个是对接收到报警信号进行处理的人机交互部分。
信号采集和控制部分是由数据采集、数据处理、数据发送和电源四个模块组成：
1. 数据采集包括各类传感器，针对煤气泄漏的电阻式半导体气体传感器，针对防盗的红外监测模块；
2. 数据处理模块采用的是低功耗的MSP430单片机； 3. 数据传输采用无线数传模块CC1100；
4. 电源采用TPS79333为处理器和无线数传模块提供稳定的电压。
人机交互部分是由处理器模块、无线数传模块、语音模块、GSM 模块、LCD 模块和键盘控制电路组成。
1. 处理器模块选用基于ARM7内核的STR710处理器；
2. 无线数传模块仍是CC1100，并通过串口和处理器相连；
3 . 语音模块采用ISD4004语音芯片构成语音报警和提示电路，处理器通过SPI 接口和语音电路连接；
4. GSM模块欲采用西门子公司TC35模块，并通过串口和处理器连接； 5. LCD模块采用点阵字符型液晶屏；
6. 键盘控制电路采用周立功公司ZLG2790芯片作为键盘电路的控制芯片，通过IIC 总线和处理器相连。
系统结构框图如下图所示：
图一 系统硬件结构图
四、芯片选型及其性能参数
信号采集和控制部分芯片参数： 1. 数据采集模块采用的传感器：
电阻式半导体气体传感器采用TP-4型空气污染物传感器，对低浓度空气污染物如氢气, 碳氢化合物, 酒精, 一氧化碳, 苯残余物等气体灵敏；
红外监测模块采用红外传感器ST188，其特点是采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，采用非接触式检测方式.ST188的检测距离很小，一般为4--15mm ； 2. 数据处理模块采用MSP430单片机系列的MSP430F133：
该芯片是16位，低功耗单片机，供电电压只需1.8V-3.6V ，16位精简指令体系，8KB+256B Flash Memory,256BRAM，两个串口控制器，一个SPI 接口；封装采用64脚（QFP ）； 3. 数据收发模块采用CC1100无线数传模块：
CC1100是一款多通道RF 收发器，采用4×4mm 20引脚QFP 封装，允许用户利用工作在2.4GHz 和1GHz 以下频率相同的系统固件，同时CC1100功耗很低，还包括广播叫醒功能；
4. 电源模块采用TPS79333稳压芯片：
该芯片输出电流为200mA ，输出电压为3.3V ，输出电容为2.2uFC ，响应时间快速。 人机交互部分芯片参数：
1. 数据处理模块采用STR710系列中的STR710FZ2芯片：
该芯片为16/32位ARM7 RISC CPU; 有256KB Flash和64KBSRAM; 拥有丰富的片内外设：
4个标准定时器，每个定时器有一个带有7位预分频比例因子的16位计数器，至多两个输入捕获、输出比较功能，一个脉冲计数功能及一个带可选频率的PWM 通道；
实时时钟RTC ，由低功耗的32kHz 的振荡器驱动，其可作为通用的基准时间使用，也可用于时钟、日历或报警；
4个UART 允许实现与外部设备的全双工异步通信，其接收Rx 和发送Tx 的数据传输率可单独编程设置，最高可达625kb/s；
2个SPI ，可与外部设备进行全双工同步通信。主/从通信在主模式和从模式下的通信速率分别可达5.5Mb/s和4Mb/s；
48个通用I/O口；
最多有14个外部中断可被用户使用； 2. 无线数传模块仍是采用CC1100模块：
具体参数见上；
3. 语音模块采用ISD4004语音芯片构成语音报警和提示电路：
ISD4004 语音系列芯片是美国ISD 公司推出的产品，具有多次重复录放，存储时间长，可达8-16分钟，使用时不需扩充存储器，所需外围电路简单等特点； 4. GSM 模块采用TC35模块：
该模块是西门子公司推出的新一代GSM 通信模块。它设计小巧、功耗很低，支持
EGSM900和GSM1800双频，模块的工作电压为3.3－5.5V ，数据速率在CSD 状态下最大速率14.4kbps ，模块尺寸大小是54.5 x 36 x 6.7mm，管脚为40pin ； 5. LCD 模块采用点阵字符型液晶屏JHD162A ：
该模块采用5V 供电，显示内容16 字符x 2 行，字符点阵5 x 8点驱动方式1/16D； 6. 键盘控制电路采用周立功公司的ZLG7290芯片：
该芯片利用IIC 总线和处理器连接，并提供键盘中断信号方便与处理器接口，可驱动8位共阴数码管或64只独立LED 和64个按键，可控扫描位数可控任一数码管闪烁，提供数据译码和循环移位段寻址等控制，有8个功能键可检测任一键的连击次数，无需外接元件即直接驱LED 可扩展驱动电流和驱动电压，提供工业级器件多种封装形式DIP24，SO24；
五、软件设计流程
软件完成各部分硬件的控制和协调。这里列出了主要的软件运行的流程，这只是初步的设计，在将来具体实现中可能还会发生变化。
图二 人机交互系统软件设计流程
图三 中断处理流程
图四 信号监控系统软件流程
参考资料
【1】沈建华等编著 STR71x系列ARM 微控制器原理与实践 北京航空航天大学出版社 2006.9 【2】STR71x Hardware Development Getting Started(硬件开发入门).pdf
【3】张晨等编著 ARM嵌入式无线通信系统开发实例精讲 电子工业出版社 2005.7 【4】秦龙编著 MSP430单片机C 语言应用程序设计实例精讲 电子工业出版社 2006.5 【5】周立功等编著 ARM嵌入式系统实验教程（一）北京航空航天大学出版社 2004.11 【6】杜春雷编著 ARM体系结构与编程 清华大学出版社 2003.2